4.1.2.3. Єдине електромагнітне поле

Індукційне електричне поле. В замкнутому провіднику при зміні магнітного поля (точніше, магнітного потоку) через площу, що обмежена цим провідником, виникає індукційний струм. Причиною цього струму є індукційне електричне поле. Таке індукційне електричне поле має такі особливості: 1) індукційне електричне поле не є електростатичним, воно створюється не зарядами, а змінним магнітним полем; 2) індукційне електричне поле, як і магнітне, є вихровим електричним полем. Силові лінії такого поля замкнуті, вони не починаються і не закінчуються на зарядах, як у випадку електростатичного поля; 3) індукційне електричне поле не являється потенціальним полем. Робота, що здійснюється в цьому полі при перемі щенні електричного заряду вздовж замкнутого шляху, не дорівнює нулю.

Таким чином, змінне магнітне поле викликає виникнення індукційного вихрового електричного поля. Це фундаментальне положення електродинаміки було встановлено Максвеллом як узагальнення закону електромагнітної індукції Фарадея.

Максвелл висловив гіпотезу про те, що в природі існує явище, обернене електромагнітній індукції. Нагадаємо, що електромагнітна індукція в нерухомих провідниках пояснюється тим, що при будь-якій зміні магнітного поля виникає особливе, не пов'язане з зарядами індукційне електричне поле. Максвелл припустив, що існує й обернене явище: змінне в часі електричне поле породжує вихрове магнітне поле, не пов'язане з рухом зарядів (тобто з електричним струмом). Експериментально було встановлено існування такого вихрового магнітного поля. Сукупність нерозривно пов'язаних (зчеплених одне з одним) вихрових електричного і магнітного полів називається електромагнітним полем.

Такі електричне і магнітне поле (єдине електромагнітне) завжди нерозривно взаємопов'язані: зміна магнітного поля породжує появу вихревого електричного поля (не зв’язаного із зарядами), а в просторі де є змінне електричне поле виникає магнітне поле (не зв’язане зі струмами).

Природно, що виникає питання - чому біля нерухомого заряду існує тільки постійне електричне поле (тобто незмінне в часі), а біля нерухомого магніту теж тільки постійне (незмінне в часі) магнітне поле? Справа в відносності любого руху, адже заряджене тіло чи постійний магніт перебувають в спокої лише в певній системі відліку. В довільній іншій системі відліку, відносно якої заряд рухаються, створюється і електричне, і магнітне поле. Так само рухомий постійний магніт створює не лише магнітне, а й електричне поле.

4.1.2.4. Властивості електромагнітних хвиль

За електромагнітною теорією Максвела електромагнітні хвилі (ЕМХ) – це процес розповсюдження взаємопов’язаних змінних електричного та магнітного полів у просторі від джерела хвилі. Найпростішим джерелом ЕМХ може бути LC–контур, обкладки конденсатора якого розсунули так, щоб якомога більша енергія поля конденсатора випромінювалась у простір. Такий LC–контур на відміну від закритого LC–контуру (в ньому вся енергія поля сконцентрована між обкладками конденсатора) називають відкритим. Відкритий коливальний контур – це і є найпростіша передавальна антена. За теорією Максвела змінне електричне поле породжує змінне магнітне поле, а змінне магнітне, в свою чергу, породжує змінне електричне поле. Силові лінії цих змінних полів є замкненими, тобто ці поля – вихрові. Створюється своєрідний нерозривний ланцюжок електричних та магнітних полів (єдине електромагнітне поле), що розповсюджуються.

Важливою особливістю ЕМХ є те, що така хвиля може розповсюджуватись (на відміну від пружних хвиль) і в вакуумі, бо для її розповсюдження не потрібні частинки середовища. Таким чином, ЕМХ – новий вид хвиль, що не зводиться до пружних.

Відомо, що як і в випадку механічних (пружних) хвиль, рівняння хвилі записують, виходячи з таких міркувань. Якщо прийняти положення джерела y=0; відстань до довільної точки простору за y, то закон коливань цієї довільної точки буде:

, (4.1.52)

де

час, який необхідний для того, щоб хвиля від джерела y=0 дійшла до точки з координатою y. Це рівняння, як і (4.1.), називають рівнянням хвилі :

, (4.1.53)

де для ЕМХ x – миттєве значення величини вектора напруженості електричного або магнітного полів у точці середовища з координатою y в момент t ; V– швидкість розповсюдження коливань у середовищі.

Електромагнітні хвилі є поперечними. Це значить, що коливання векторів напруженості електричного та магнітного полів проходять перпендикулярно до напрямку розповсюдження. Напруженість електричного та магнітного полів змінюються за гармонічним законом у просторі та часі. Коливання векторів напруженості електричного та магнітного полів проходять у взаємно перпендикулярних площинах. Коливання цих векторів проходять у фазі (синфазно), тобто її максимальні значення ( та ) досягаються одночасно, як звичайно і нульові значення напруженостей.

Напруженість електричного та магнітного полів змінюються за гармонічним законом у просторі та часі. Рівняння ЕМХ, що розповсюджується вздовж осі y (рис. 4.1.13), буде мати вид:

;

, (4.1.54)

де

та

хвильове число та циклічна частота, відповідно.

Графічно “моментальну фотографію” розподілу величини та напрямку векторів напруженості електричного та магнітного полів у світловій хвилі можна представити так, як показано на рис. 4.1.13.

За електромагнітною теорією Максвела швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль в ізотропному середовищі становить:

. (4.1.55)

Значення швидкості електромагнітних хвиль у вакуумі згідно з теорією Максвела дорівнює:

.

Цю швидкість часто називають швидкістю світла в вакуумі, хоча треба пам’ятати що це швидкість будь – якої електромагнітної хвилі, а не тільки видимого світла. Важливо зазначити що це теоретично отримане Максвелом значення встановлено раніше, ніж було експериментально виміряну з достатньою точністю. Це свідчить про правильність теорії Максвела.

Абсолютним показником заломлення світла називається величина, яка показує в скільки разів швидкість світла у вакуумі більша, ніж у даному середовищі:

.

Характеристикою енергії, що переносить ЕМХ є густина потоку електромагнітного випромінювання – це енергія, що переносить хвиля за одиницю часу, через площадку одиничної площі, яка розміщена перпендикулярно до напрямку розповсюдження хвилі. Отже, одиницею вимірювання цієї величини у СІ буде 1 Дж /(с м² ), тобто 1 Вт /м² . З врахуванням напрямку розповсюдження будемо говорити про вектор густини потоку електромагнітної енергії (вектор Пойнтінга). Таким чином, він характеризує перенесення електромагнітної енергії в напрямку розповсюдження хвилі (вздовж осі у на рис. 4.1.8):

, (4.1.56)

а модуль вектора дорівнює:

= , (4.1.57)

де – модуль швидкості розповсюдження електромагнітної хвилі в середовищі; – об’ємна густина енергії ЕМХ (енергія в одиниці об’єму, вимірюється в Дж/м³).